La vue depuis l'avion utilisé pour scanner le lac Yellowstone à la recherche de touladis envahissants. Crédit :Joseph A. Shaw, Université d'État du Montana
Pendant des décennies, le National Park Service a été enfermé dans une bataille contre le touladi, un poisson envahissant avec un appétit vorace qui a dépassé le lac Yellowstone et bouleversé son écosystème autrefois florissant. Selon de nouvelles recherches, un instrument embarqué pourrait offrir un moyen plus rapide de localiser et de capturer les poissons non indigènes pendant les brèves semaines de chaque année lorsqu'ils entrent dans les eaux peu profondes pour frayer.
L'instrument, qui utilise la technologie d'imagerie basée sur la lumière Light Detection and Ranging (LiDAR), pourrait permettre à ceux qui gèrent le lac de chasser les poissons envahissants sur une zone plus large à moindre coût, utiliser plus efficacement les quelque 2 millions de dollars dépensés chaque année pour le contrôle du touladi.
Dans la revue The Optical Society (OSA) Optique appliquée , les chercheurs font état d'une série de vols d'essai qui ont permis de localiser des groupes de touladis et d'identifier des frayères jusqu'alors inconnues. Ils démontrent la capacité de la technique à trouver des groupes de deux ou plusieurs touladis nageant jusqu'à 15 mètres sous la surface.
"Le problème clé que nous abordons avec cette recherche est le besoin d'une méthode pour trouver où le touladi envahissant fraie afin que les biologistes des pêches puissent déployer diverses méthodes pour réduire leur population, " a déclaré Joseph A. Shaw, Université d'État du Montana. "Il existe plusieurs autres méthodes à l'étude pour suivre ces poissons, y compris la détection acoustique, mais un avion peut parcourir le grand lac en un temps beaucoup plus court que ce qui est possible pour les bateaux. »
Une nouvelle façon de voir les lacs
LiDAR a été utilisé pour suivre les poissons dans les écosystèmes marins, mais c'est la première fois qu'il est utilisé pour étudier les poissons dans les lacs, où l'eau est plus trouble.
En outre, tandis que d'autres applications LiDAR nécessitent des applications coûteuses, équipements sophistiqués, Les ingénieurs de la Montana State University ont développé le nouvel instrument pour moins de 100 $, 000 et optimisé pour un fonctionnement sur un avion monomoteur pouvant être piloté pour 500 $ par jour, ce qui en fait une solution pratique pour les écologistes et les gestionnaires locaux de la pêche et des ressources en eau.
L'instrument LiDAR dirige un faisceau laser vers le bas à travers un trou au fond de l'avion. Le faisceau était incliné vers l'arrière afin que la réflexion de la lumière sur l'eau soit déviée et ne sature pas le récepteur. Crédit :Joseph A. Shaw, Université d'État du Montana
"Le coût relativement faible et la petite taille de notre système LiDAR le rendront utile pour d'autres types d'études écologiques, telles que la cartographie des couches de plancton et des panaches des évents sous-marins, ", a déclaré Shaw. "Les lacs éloignés qui seraient difficiles d'accès depuis le sol peuvent être facilement cartographiés et étudiés en l'espace d'une seule journée."
Gérer un écosystème menacé
Une pièce maîtresse du parc national de Yellowstone, Le lac Yellowstone a longtemps été apprécié des pêcheurs à la ligne et vénéré pour les populations de grizzlis, pygargues à tête blanche, loutres et autres animaux sauvages qu'il soutient. L'introduction de touladis non indigènes dans les années 1990 a considérablement perturbé l'équilibre écologique complexe de la région.
Le touladi s'attaque à la truite fardée indigène du lac, qui ont toujours été une source de nourriture clé pour de nombreux prédateurs supérieurs. À mesure que les populations de touladis augmentaient, la population de truites fardées s'est effondrée, chute de 90 pour cent entre 2000 et 2005. Cela a considérablement réduit l'approvisionnement en nourriture pour les ours, oiseaux et autres animaux. Ces animaux ne peuvent pas s'attaquer au touladi envahissant, car le touladi passe la majeure partie de l'année en eau profonde, contrairement à la truite fardée.
Pour abattre les populations de touladi et donner à la truite fardée une chance de se rétablir, les gestionnaires du lac utilisent des filets maillants, entre autres méthodes, pour capturer le touladi pendant la période de frai. Bien que très efficace, cette méthode nécessite de savoir quand et, plus important encore, où—les poissons se reproduisent.
Pour localiser le poisson, les biologistes implantent actuellement des poissons individuels avec des émetteurs acoustiques, puis les suivent avec des récepteurs dans le lac et sur les bateaux, un processus long et laborieux qui fournit une couverture incomplète des allées et venues des poissons envahissants.
Michael Roddewig, qui était à l'époque doctorant à la Montana State University, installer le LiDAR dans l'avion pour un survol du lac Yellowstone. Crédit :Joseph A. Shaw, Université d'État du Montana
Prendre l'air pour couvrir plus de terrain
L'équipe de recherche a cherché à développer un moyen plus efficace de localiser rapidement de grands groupes de touladis sans étiquetage. Leur solution, un instrument LiDAR boulonné à un petit avion, leur permet de détecter les poissons dans une bande d'eau de 5 mètres et de parcourir 80 kilomètres à l'heure.
L'appareil fonctionne en transmettant une courte impulsion de lumière laser de l'avion dans l'air et dans l'eau. Le récepteur LiDAR mesure la lumière rétrodiffusée, permettant aux chercheurs de repérer les poissons de l'eau environnante. Pour optimiser la configuration pour une utilisation sur le lac, ils ont utilisé un laser à faisceau vert, qui pénètre mieux dans l'eau que les autres types de lasers utilisés pour les applications LiDAR au sol. Le faisceau était incliné vers l'arrière afin que la réflexion de la lumière sur l'eau soit déviée et ne sature pas le récepteur.
Mettre le système à l'épreuve
L'équipe a d'abord testé l'utilisation de la technologie LiDAR au lac Yellowstone à l'aide du LiDAR de poisson de la NOAA en 2004. Les données recueillies au cours de ces vols d'essai ont aidé le personnel du National Park Service à trouver des zones de frai jusqu'alors inconnues qui ont ensuite été validées avec des opérations de filet maillant au sol.
L'équipe a ensuite conçu et construit son propre système pour fournir une puissance optique suffisante au coût le plus bas possible. Tests de la nouvelle configuration, en 2015 et 2016, identifié avec succès de nombreux groupements de truites.
Shaw a déclaré que le système pourrait être encore amélioré avec une technique appelée balayage à balai-poussoir, dans lequel le faisceau laser est balayé en ligne pour couvrir une bande plus large. Cela permettrait de numériser toute la zone du lac plus rapidement que le seul laser à angle fixe utilisé dans la configuration actuelle.
Les chercheurs visent également à développer des outils supplémentaires pour aider les utilisateurs à traduire rapidement les données générées par LiDAR en informations exploitables, et adapter le système à d'autres types d'écosystèmes d'eau douce.
« Nous sommes intéressés à développer des algorithmes automatisés de détection de poissons et à utiliser cette méthode comme outil de routine pour aider les biologistes des pêches dans leur lutte contre le touladi envahissant, " a déclaré Shaw. " Nous explorons également les options d'utilisation de ce LiDAR, ainsi que des systèmes d'imagerie multispectrale et hyperspectrale, pour surveiller la santé des rivières.
